新型料位测量方法及其实验研究

　　在煤炭行业中,煤仓作为生产运输的中间环节,起着均衡产煤和储煤的重要作用。由于缺乏对煤仓料位的准确测量,现场中常常会因为煤仓满仓导致仓体受载过大,引起仓体变形或损坏,造成卸煤困难甚至影响生产;另外煤仓卸空时产生巨大的动力载荷也会对仓体造成极大破坏。而为了合理的利用煤仓,满足煤炭工业的发展要求,实现生产的连续化和自动化,煤矿上投入了大量的人力、物力进行煤位监测。对固体物料的(包括粉状物)的测量方法,国内外已做了一些研究。目前利用超声波、激光、微波式调频雷达系统及核辐射原理,研制出了很多料位测量仪器。但在性价比和精度上还不能满足实际生产的需要,应用到现场中的还不多见,因此迫切需要开发一种新型料位测量仪器。本文依据机械波传播理论,提出了测量弹性梁随负载变化的振动频率,当振动频率对负载变化足够敏感时,就可由频率来获得负载情况,从而依据系统的频响函数变化来逆推料位的高度。

　　1　料位测量原理

　　图1为料位测量系统框图,由于机械系统阻尼很小,可以近似认为其共振频率即为固有频率。当负载加在弹性梁上时,必定会影响到弹性梁的振动频率,弹性梁属于连续分布的多自由度系统,其共振频率既受刚度的影响又受张力的影响。所以可视其为一种界于柔性弦和固体梁之间的物理模型。弹性梁的振动频率受边界条件和本身材料的影响,约为几十到几百赫兹,振幅为几微米到几毫米不等。当其受到激振以后,形成一个波在梁中传播。当端部固定,则形成反射波和入射波叠加。在波长远远大于梁长时,可略去反射。由于有衰减作用,故很难形成驻波。

　　选取弹性梁中的一个单元进行研究,如图2所示,均匀截面的梁横向弯曲,使截面积为S,杨氏模量为Q的dx长度上弯曲了一个角度φ,当梁弯曲不太多时,φ实际上等于dx元两端轴线的斜率之差。

　　为使所研究的梁处于平衡,必须使梁两端力矩。差同切变力相平衡(见图3)。对于弹性梁,则运动方程变为

　　式中:R——回转半径;

        ρ——材料密度;

        M——力矩;

        F——切变力。

　　考虑到梁变形后的恢复力是由张力和刚度共同作用,则综合弦的运动方程

        表示波速,σ表示张力的大小。将弹性梁的两端固定,可解出弹性梁上的运动方程为

　　由上式和边界条件可求出梁上允许传播的频率值为

        式中n=1,2,3…;L=弹性梁长度。当料位变化时,弹性梁有效长度发生变化,张力大小发生变化,导致振荡频率改变。因此只要测出频率值和张力值,便可反求出弹性梁有效长度L的变化数值,即获知料位的高度。